Методы и средства измерительного преобразования скорости движения плазмы для информационно-измерительных и управляющих систем электродинамических ускорителей

Выбор алгоритма управления электродинамическими ускорителями (ЭДУ) для стабилизации скорости плазменного поршня. Анализ требований к точности измерительного преобразователя скорости как элемента информационно-измерительных и управляющих систем ЭДУ.

Рубрика Производство и технологии
Вид автореферат
Язык русский
Дата добавления 13.02.2018
Размер файла 789,9 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

Методы и средства измерительного преобразования скорости движения плазмы для информационно-измерительных и управляющих систем электродинамических ускорителей

Специальность 05.11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в машиностроении)

доктора технических наук

Кириевский Евгений Владимирович

Новочеркасск - 2009

Работа выполнена на кафедре «Информационно-измерительная и медицинская техника» ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Научный консультант доктор технических наук, профессор Горбатенко Николай Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Заярный Вячеслав Петрович.

доктор технических наук, профессор Сипливый Борис Николаевич.

доктор технических наук, профессор Фандеев Евгений Иванович.

Ведущая организацияМосковский инженерно-физический

институт (технический университет) - МИФИ

Защита состоится «6» февраля 2009 г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, г. Волгоград, пр. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета

Автореферат разослан «____» _____________ 200_ г.

Ученый секретарь

диссертационного совета О.А. Авдеюк

электродинамический ускоритель поршень преобразователь

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Технология разгона плазмы и толкаемых ею тел с помощью магнитоплазменных электродинамических ускорителей (ЭДУ) в последние два десятилетия активно развивается как за рубежом, так и в нашей стране. Исследованию проблем электрофизики, связанных с ЭДУ, посвящены труды отечественных и зарубежных ученых (Арцимович Л.А., Бабаков Ю. П., Башкатов Ю. Л., Венгерский В.В., Велихов Е.П., Галанин М.П., Глинов А.П., Глухих В. А., Додотченко В.В., Дрейзин ЮА., Дробышевский Е. М., Железный В. В., Жуков Б.П., Иерусалимская И.В., Калихман С.А., Калюжный В.Е., Колядин Н.М., Кондратенко А.К, Кудрявцев А.В., Кузнецов В.М., Кузнецов М.М., Кучинский В. Г., Леонов С.А., Лотоцкий А.П., Минайлос А.Н., Нечаев Н.Н., Олейник Н.И., Осташев В.Е., Перков С.А., Письменный В.Д,, Плеханов А.В., Полищук В.П., Полтанов А.Е., Полянский О.Ю., Рутберг Ф.Г., Сафонов В.И., Стадниченко И.А., Сурков А.С., Терентьев В.Г., Титов В. М., Шамраев И.М., Швецов Г. А., Школьников Э.Я. и др., Batten J.H., Brooks A.L., Deadrick F.D., Fowler C.M., Hawke R.S, Kemmey P. J., Marshall R.A., Peterson O.R., Powel J.D., Usuba S. и др.).

Одной из основных проблем в этой области является создание информационно-измерительных и управляющих систем (ИИУС) ЭДУ с целью обеспечения управляемого разгона плазмы (толкаемых ею тел) и регистрации результатов эксперимента. Решение этой проблемы связано с необходимостью получения измерительной информации о скорости движения системы «плазменный поршень (ПП) - разгоняемое тело» в канале ЭДУ. При этом достигаются две цели: во-первых, измерение и регистрация параметров движения на участке внутренней баллистики (в канале ЭДУ) и, во-вторых, допусковый контроль скорости разгона для формирования подсистемой автоматического управления (САУ) ИИУС ЭДУ в рассчитанный момент команды на прекращение подвода энергии к ЭДУ для стабилизации заданной скорости на выходе. До недавнего времени решалась только первая задача, а вторая задача находилась в стадии постановки. Впервые задача управляемого разгона ПП и тел в ЭДУ путем стабилизации заданной скорости была теоретически сформулирована учеными НИИ прикладной механики и электродинамики МАИ и ЦНИИ Машиностроения Азановым И.Б., Александровым В.А., Обыденниковым С.С., Тютиным В.К., Хрусталевым М.М., Юдасом В.И., которыми был предложен алгоритм управления разгоном с механизмом памяти и коррекцией скорости путем использования измерительной информации для вычисления в режиме on-line с несколькими уточнениями момента формирования команд на прекращение подвода энергии к ЭДУ. Этот алгоритм управления обеспечивает высокую точность (погрешность стабилизации скорости не более 3,0 %), однако он является сложным для реализации, учитывая необходимость выполнения нескольких итераций расчета момента формирования команды на прекращение подвода энергии в реальном времени в течение первых нескольких сотен микросекунд после начала движения. Сложность этого алгоритма управления обусловлена и тем, что он требует проведения измерений не только средней на интервале пути скорости, но и ряда других параметров движения, в частности, ускорения, координаты и др.. Поэтому актуален поиск более простых, а значит, более надежных, алгоритмов управления разгоном, не требующих измерения ряда параметров и выполнения многократных итерационных расчетов в процессе разгона. Проблема упрощения и повышения надежности алгоритма управления разгоном при сохранении заданной точности может быть решена путем получения измерительной информации не о средней на интервале пути, а о мгновенной скорости разгона: при этом отпадает необходимость измерения дополнительных информативных параметров и многократных итерационных расчетов в режиме on-line с использованием механизма памяти.

Однако такой перспективный путь решения проблемы управляемого разгона сталкивается с рядом нерешенных задач, связанных с созданием важнейшего элемента ИИУС ЭДУ - измерительного преобразователя скорости (ИПС) движения ПП. Среди них: обоснование методологии выбора принципа управления ЭДУ для обеспечения стабилизации скорости ПП и определения требований к соотношению точности и быстродействия ИПС; систематизация известных методов и принципов построения ИПС; исследование влияния параметров системы “рельсотрон ЭДУ-датчики положения ПП” на выходные сигналы датчиков положения; метрологический анализ ИПС и оценка путей снижения различных составляющих погрешности измерения; разработка математической модели системы «ЭДУ - ИПС» для проведения вычислительных экспериментов по исследованию точностных характеристик алгоритмов измерительного преобразования скорости ПП в ЭДУ; разработка методов параметрического и структурного синтеза ИПС и др.

Нерешенность этих задач требует проведения дополнительных исследований и обобщения их

результатов. Поскольку точность управления разгоном и достижение заданных баллистических характеристик разгоняемых ПП и тела зависят от качества контроля их скорости, а в мировой практике до сих пор отсутствовали методы и средства измерительного преобразования мгновенной скорости разгона ПП и тел в ЭДУ, задача разработки ИПС для ИИУС ЭДУ является актуальной.

Данная диссертация посвящена разработке методов и средств измерительного преобразования параметров движения ПП и ускоряемых тел для ИИУС ЭДУ. Работы по решению этой проблемы в течение ряда лет выполнялись в рамках целевой комплексной научно-технической программы «Качество и безопасность», утвержденной совместными приказами Минвуза РСФСР №28/82 от 26.02.81г. и Министерства машиностроения СССР №91/92 от 24.02.87г., в соответствии с «Перечнем Приоритетных направлений развития науки и техники и критических технологий федерального уровня» (раздел «Проблемы управления и автоматизации»), утвержденными Постановлением Правительства РФ от 17.04.95 г. № 360, «Перечнем критических технологий Российской Федерации», утвержденным Президентом РФ 21.05.06 г. № Пр-842 (разделы «Технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации», «Технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления»), в соответствии с тематикой по единым заказ-нарядам Минобразования РФ: «Теоретические основы и математическое моделирование специальных систем управления, измерения и диагностики» №1.10.99Ф, №1.6.99Ф, №1.7 99Ф и №1.9.99Ф» и по научному направлению ЮРГТУ (НПИ) «Теория и принципы построения информационно-измерительных систем и систем управления» (утверждено решением ученого совета университета от 25.01.03).

Актуальность и фундаментальность темы настоящего научного исследования подтверждается ее поддержкой РФФИ в 2008 году (грант 08-08-00667-а по проекту «Разработка основ теории и методов проектирования систем автоматического контроля параметров движения плазмы в магнитоплазменных электродинамических ускорителях с управляемым разгоном»).

Целью диссертационной работы является создание научной базы проектирования измерительных преобразователей средней, квазимгновенной и мгновенной скорости разгона ПП как элементов ИИУС ЭДУ путем проведения комплекса теоретических исследований и разработки новых методов измерительного преобразования скорости, параметрического и структурного синтеза ИПС, что позволит повысить точность контроля скорости ПП и качество управления магнитоплазменными ЭДУ.

В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие основные задачи:

1. Выбор алгоритма управления ЭДУ для стабилизации скорости ПП и анализ требований к точности ИПС как элемента ИИУС ЭДУ.

2. Исследование закона движения ПП в ЭДУ методом вычислительного эксперимента и анализ требований к соотношению точности и быстродействия ИПС как элемента ИИУС.

3. Обоснование базового метода измерения скорости на основе анализа современного состояния проблемы контроля параметров движения ПП и тел в ЭДУ.

4. Разработка структурных и параметрических методов повышения помехозащищенности ИПС.

5. Исследование методом вычислительного эксперимента влияния на сигналы датчиков параметров системы “движущийся ПП - датчики положения”.

6. Метрологический анализ базового метода измерения скорости.

7. Разработка математической модели системы «ЭДУ - ИПС» и программ для вычислительных экспериментов по исследованию точности алгоритмов измерительного преобразования скорости движения ПП в ЭДУ.

8. Разработка и исследование на ЭВМ методов измерительного преобразования квазимгновенной и мгновенной скорости разгона ПП в ЭДУ.

9. Разработка методологии структурного и параметрического синтеза ИПС.

Методы исследования и достоверность результатов. Поставленные в диссертации задачи решались с использованием комплексного подхода, основанного на теоретическом анализе и вычислительном эксперименте. При теоретическом анализе использовались методы теорий: дифференциального и интегрального исчисления, математического анализа, комбинаторного анализа, вероятностей и математической статистики, статистических решений, электромагнитного поля, случайных процессов, нечетких множеств, многокритериального рангового анализа, измерений и метрологии, информации, оптимальных методов приема при флуктуационных помехах, параметрического и структурного синтеза систем, экспертных оценок. В вычислительном эксперименте использовалась теория алгоритмов и программ, методы имитационного моделирования.

Достоверность научных результатов выполненных диссертационных исследований подтверждается корректным применением математических методов и общепринятых теорий, обоснованных математических моделей, методик расчета, алгоритмов синтеза ИПС, использованием в математических моделях в качестве исходных данных известных экспериментальных результатов, сопоставлением полученных данных с известными теоретическими и экспериментальными результатами, согласованием теоретических положений с результатами имитационного моделирования, непротиворечивостью математических выводов и преобразований, а также подтверждена использованием основных результатов диссертации при проектировании, внедрении разработанных ИПС в ряде отраслей промышленности и опытом их длительной эксплуатации с использованием при проведении экспериментальных исследований у заказчиков только поверенной высокоточной аппаратуры и аттестованных специальных измерительных стендов. Принятые допущения не противоречат физике рассматриваемых процессов и являются общепринятыми при решении соответствующих задач.

На защиту выносятся:

1. Принцип понижения динамической погрешности измерения скорости ПП (тела) в ЭДУ с питанием от емкостного накопителя энергии, основанный на использовании режима измерения мгновенной скорости на участках квазиравномерного движения, соответствующих окрестностям точек перехода тока плазмы через нуль.

2. Комплексная математическая модель системы «магнитоплазменный ЭДУ- ИПС» для выполнения сравнительного анализа по точности алгоритмов вычисления скорости (структур ИПС), основанная на совместном использовании: модели движения ПП в ЭДУ на базе модифицированной системы уравнений Арцимовича; численной модели электромагнитного поля от тока в ПП; модели индукционного датчика положения проводника с током; моделей различных алгоритмов вычисления скорости движения ПП.

3. Комплекс расчетных формул, обеспечивающих определение скоростных, временных параметров, положения движущегося ПП и методических погрешностей измерения скорости с использованием различных вариантов времяпролетного метода.

4. Метод измерительного преобразования средней и квазимгновенной скорости, основанный на формировании промежуточных точек опроса между двумя группами датчиков положения путем попарной коммутации датчиков обеих групп и обеспечивающий повышение точности измерения на участках траектории между группами датчиков.

5. Метод координатной функции с рядом модификаций, обеспечивающих повышение его эффективности, для измерительного преобразования квазимгновенной и мгновенной скорости ПП, основанный на формировании специальной функции, зависящей только от положения ПП, и обеспечении ее инвариантности к сопутствующим параметрам и факторам.

6. Метод измерительного преобразования скорости ПП, основанный на использовании в качестве информативных параметров электрического тока в цепи ПП и геометрического среднего сигналов датчиков положения, отличающегося зависимостью только от скорости и тока в цепи ПП и инвариантного ко всем мешающим факторам, что позволяет повысить помехозащищенность ИПС за счет замены операции дифференцирования на операцию непрерывного измерения тока в ПП.

7. Методики структурного и параметрического синтеза измерительных преобразователей средней, квазимгновенной и мгновенной скорости ПП, в том числе с применением элементов интеллектного управления.

8. Комплекс алгоритмов и программ для ЭВМ, структур и схемотехнических решений, реализующих предложенные математические модели и методы измерительного преобразования параметров движения для ИИУС ЭДУ.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Впервые предложен и теоретически обоснован простой алгоритм управления и стабилизации скорости ПП в ЭДУ с управляемым разгоном, основанный на измерении мгновенной скорости ПП и однократном расчете в процессе разгона ПП момента прекращения подвода энергии ЭДУ, который, в отличие от известного сложного алгоритма, основанного на измерении ряда параметров, в том числе средней скорости и ускорения ПП, не требует введения механизма памяти и выполнения в процессе разгона ПП многократного итерационного расчета момента прекращения подвода энергии к ЭДУ, что в результате обеспечивает упрощение и повышение надежности ИИУС ЭДУ при сохранении точности управления разгоном и стабилизации скорости ПП.

2. На основе выявленных и изученных особенностей закона движения ПП в рельсотроне ЭДУ сформулированы требования к соотношению точности и быстродействия ИПС, для обеспечения которого впервые предложено использование режима прерывистого измерения мгновенной скорости на участках квазиравномерного движения ПП, что позволило снизить до пренебрежимо малых значений динамическую погрешность измерения скорости и повысить точность ИИУС ЭДУ.

3. Впервые исследовано влияние параметров системы “движущийся ПП-датчики положения” на выходной сигнал ИД, что позволило разработать рекомендации по обоснованному выбору конструктивных параметров ИД и РРК на их основе для обеспечения требуемых точностных характеристик ИПС при реализации времяпролетного метода измерения скорости.

4. Впервые выполнен метрологический анализ основных погрешностей времяпролетного метода измерения скорости ПП в ЭДУ, в результате чего получены предельные оценки составляющих инструментальной погрешности измерения средней и мгновенной скорости; с использованием информационного подхода установлена аналитическая зависимость между погрешностью интерполяции и числом датчиков положения в РРК, что позволяет при проектировании ИПС ИИУС ЭДУ определять количество точек опроса, обеспечивающее пренебрежимо малую погрешность интерполяции. На основе полученных аналитических зависимостей, связывающих динамическую погрешность с рабочим диапазоном скоростей и конструктивными параметрами РРК выработаны методические рекомендации по снижению динамической погрешности выбором соотношений параметров РРК и впервые установлено, что для минимизации динамической погрешности ИВИ необходимо обеспечить нормализацию формы сигнала на выходе датчиков положения, приближая её к форме гауссова сигнала, для чего предложено включать интеграторы на выходе ИД или использовать вместо последних датчики Холла.

5. Предложен, запатентован и исследован новый базовый метод измерительного преобразования скорости движения ПП - «метод координатной функции», основанный на одновременном использовании выходных сигналов двух датчиков положения, между которыми движется ПП с последующим вычислением различных вариантов их функции отношения, что обеспечивает инвариантность КФ ко всем параметрам, кроме положения ПП, и на его основе разработан ряд запатентованных методов измерительного преобразования скорости движения ПП (с использованием программируемой попарной коммутации датчиков положения; сочетания нулевого, дифференциального и логометрического методов измерения; геометрического среднего сигналов датчиков положения), позволяющих существенно повысить точность ИПС ИИУС за счет перехода от измерения средней к измерению мгновенной (квазимгновенной) скорости разгона ПП.

6. Разработана новая методология структурного синтеза оптимальных ИПС, которая в отличие от известных подходов, основанных на синтезе структур по одному из критериев (минимума ошибки обнаружения объекта датчиками или минимума потери информации о параметрах сигнала датчиков в условиях помех), обеспечивает одновременное достижение указанных минимумов путем введения в состав включенного на выходе датчиков фильтра, оптимального по критерию минимума ошибки обнаружения сигнала, дополнительного корректирующего звена, обеспечивающего минимум потери информации о параметрах сигнала датчиков. При этом впервые решена задача структурного синтеза оптимального фильтра как составной части ИПС по предложенному критерию «двойного минимума» и выведены соотношения, доказывающие эффективность объединения нескольких датчиков положения в каждом канале регистрации РРК для уменьшения вероятности ошибки обнаружения сигналов датчиков в условиях помех.

7. Впервые предложена комплексная математическая модель системы «ЭДУ - ИПС» с использованием модифицированной системы уравнений движения плазмы Арцимовича, модели электромагнитного поля движущегося проводника с током, модели ИД с интегратором на выходе, набора моделей алгоритмов определения скорости движения ПП, позволяющая проводить вычислительные эксперименты по исследованию точности различных алгоритмов измерительного преобразования скорости движения ПП в ЭДУ, что позволило выбрать оптимальный вариант структуры нейросетевой реализации ИПС, обеспечивающий минимальную методическую погрешность измерительного преобразования мгновенной скорости ПП.

8. Впервые предложен алгоритм параметрического синтеза РРК (РИК), обеспечивающий минимизацию суммарной погрешности измерения скорости, основанный на сочетании off-line-планирования для расчета и формирования первого интервала пути и on-line-планирования для расчета и формирования каждого последующего интервала пути между парами датчиков в РРК или точками опроса в РИК, что позволяет формировать оптимальный переменный шаг опроса в РИК с учетом результатов измерения времени прохождения ПП предыдущего интервала.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1. Разработаны основы проектирования оптимальных измерительных преобразователей средней, квазимгновенной и мгновенной скорости для ИИУС ЭДУ, в том числе:

· получен комплекс расчетных формул для оценки метрологических параметров двух вариантов реализации времяпролетного метода измерения средней и квазимгновенной скорости при равноускоренном движении (при заданной базе или заданном временном интервале) и разработана инженерная методика выбора варианта времяпролетного метода, основанная на параметрическом синтезе элементов ИПС по критерию минимума методической погрешности;

· разработана инженерная методика графо-аналитического расчета минимально допустимого числа датчиков в РРК (точек опроса в РИК) при измерении, соответственно, средней и квазимгновенной скорости по заданной погрешности интерполяции;

· разработана номограмма в виде семейства графических зависимостей, связывающих динамическую погрешность ИВИ ИПС с рабочим диапазоном скоростей ИПС и конструктивными параметрами РРК;

· разработана инженерная методика параметрического синтеза РРК ИПС, позволяющая, задаваясь допустимой вероятностью ошибки обнаружения и порогом чувствительности регистратора сигналов с датчиков, определять оптимальные конструктивные параметры РРК (число датчиков и значения интервалов между ними);

· разработана инженерная методика структурного синтеза РРК ИПС по критерию минимальной вероятности ошибки обнаружения сигналов датчиков, основанная на интерактивной процедуре поочередного перехода от одного к другому варианту объединения датчиков, обеспечивающей выбор оптимальной структуры РРК.

2. На основании предложенной комплексной математической модели системы «ЭДУ-ИПС» разработан и зарегистрирован в Отраслевом фонде алгоритмов и программ программный комплекс MMVS для проведения исследования законов движения ПП в ЭДУ и различных алгоритмов измерительного преобразования средней, квазимгновенной и мгновенной скорости с оценкой их метрологических характеристик методом вычислительного эксперимента, что позволяет на стадии проектирования ИИУС ЭДУ обойтись без дорогостоящих натурных экспериментов на уникальных ЭДУ.

3. Разработана и зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ компьютерная программа FuzzyRAV, позволяющая в интерактивном режиме решать задачи рангового анализа вариантов (методов) измерительного преобразования средней, квазимгновенной и мгновенной скорости без ограничений на количество критериев и сравниваемых вариантов.

4. Проведена апробация в смежной области электротехники разработанного метода координатной функции для контроля параметров движения контактов высоковольтных коммутационных аппаратов (в том числе мгновенной скорости), подтвердившая его эффективность, универсальность и перспективность при измерениях в широком диапазоне скоростей.

5. Разработаны структурные и функциональные схемы ряда ИПС, реализующие предложенные в работе методы измерительного преобразования средней, квазимгновенной и мгновенной скорости ПП в ЭДУ.

6. На основе выполненных исследований:

· разработано и внедрено для предприятий различных отраслей (ЛНПО «Союз», г. Дзержинский Московской обл.; ЦНИИМаш, г. Королев Московской обл.) 7 типов и модификаций ИПС и ИИУС магнитоплазменных ЭДУ (ПР-ИД, ПР-РИ, ПС-РБХ-1, ПС-РБХ-2, ИИУС «ПРОЛОГ», ИИУС «Молния», ИИУС «Искра»), часть из которых включена в Отраслевой каталог продукции;

· разработано и внедрено в смежной области электротехники для ряда энергетических предприятий Литвы и РФ (ОАО «Ростовэнерго», ОАО «Кубаньэнерго», ОАО «Нижновэнерго», ОАО «Комиэнерго» и др.) 18 комплектов регистраторов параметров движения контактов высоковольтных выключателей («МАРС-1»), использующих предложенный в работе «метод координатной функции» для измерения мгновенной скорости;

· материалы диссертационной работы используются в учебном процессе ЮРГТУ (НПИ) в виде разделов курсов лекций «Измерительные информационные системы», при выполнении дипломных проектов по направлению 200100 «Приборостроение».

Новизна и практическая ценность результатов диссертационных исследований подтверждена полученными авторскими свидетельствами СССР и патентами РФ, программами ЭВМ, зарегистрированными в отраслевых фондах алгоритмов и программ (всего 25 охранных документов).

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: 1-й межотраслевой научно-технической конференции по электродинамическим ускорителям (г. Дзержинский Московской обл., 1988 г.); Зональном научно-техническом семинаре «Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления” (г. Пенза, 1991г.); Всесоюзной научной конференции “Методы и средства измерения механических параметров в системах контроля и управления” (г. Пенза, 1992г.); 1-й Всероссийской научно-технической конференции Российской метрологической академии “Состояние и проблемы технических измерений” (г. Москва, МГТУ им. Баумана, 1994г.); XIV, XV, XVI сессиях семинара РАН «Кибернетика электрических систем» по тематике «Диагностика электрооборудования» (г. Новочеркасск, 1992г., 1994г., 1996г.); IV Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород, 1999г.); Международной научно-технической конференции “Контроль, измерения, информатизация” (г. Барнаул, 2000г.); Международной научно - практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2000г.); Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» (г. Санкт-Петербург, 2000; г.Тамбов, 2002 г.; г. Кострома, 2004 г.); Международной научно - практической конференции «Современные энергетические системы и комплексы и управление ими» (г. Новочеркасск, 2001г.); II-й Международной научно - практической конференции «Теория, методы и средства измерений, контроля и диагностики» (г. Новочеркасск, 2001 г.); 4-й Международной научно-технической конференции «Новые технологии управления движением технических объектов» (г. Ростов-на-Дону, 2001 г.); Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы - IEEE AIS'03» (п. Дивноморское, 2003 г.); Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные САПР» (п. Дивноморское, 2003 г., 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Интеллектуальные системы - IEEE AIS'04» (п. Дивноморское, 2004 г.); ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, научных работников, аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ) (г. Новочеркасск, 2006 г., 2007 г., 2008 г.).

Публикации по теме диссертации. По результатам исследований опубликовано 93 печатных работы, в том числе 1 монография и 67 научных публикаций (из них 31 статья в журналах, рекомендованных ВАК для публикации результатов докторских диссертаций), получено 23 авторских свидетельства СССР и патента РФ, 2 свидетельства о регистрации программ для ЭВМ в Отраслевых фондах алгоритмов и программ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Она содержит 351 стр. основного текста, 100 рисунков, 9 таблиц, список литературы из 235 наименований и 22 приложения.

Личный вклад автора заключается в том, что им сформулирован и решен комплекс взаимно-обусловленных задач, обеспечивающих практическую реализацию концепции управляемого разгона в магнитоплазменных электродинамических ускорителях, в частности, предложил и исследовал простой и точный алгоритм управления разгоном на основе «прерывистого» измерения мгновенной скорости плазмы на участках квазиравномерного движения и обосновал требования к соотношению точности и быстродействия ИПС как основного элемента ИИУС ЭДУ; разработал и исследовал новые методы измерительного преобразования скорости повышенной точности; разработал комплексную математическую модель системы «ЭДУ-ИПС» для сравнительного анализа по точности предложенных методов измерительного преобразования скорости; создал основы методологии параметрического и структурного синтеза помехоустойчивых высокоточных ИПС для ИИУС ЭДУ, в том числе с применением методов искусственного интеллекта; принял участие в практической реализации ИИУС ЭДУ, обеспечил разработку, изготовление и передачу в опытно-промышленную эксплуатацию программно-технических средств измерительного преобразования параметров движения для ИИУС ЭДУ.

Основное содержание диссертации

Список сокращений. ВУ - вычислительное устройство; ИВИ - измеритель временных интервалов; ИД - индукционный датчик положения; ИИ - искусственный интеллект; ИИЭ - импульсный источник энергии; ИИУС - информационно-измерительная и управляющая система; ИНС - искусственная нейронная сеть; ИПС - измерительный преобразователь скорости; КФ - координатная функция; КФ DL-типа - координатная функция дифференциально-логометрического типа; КФ LDL- типа - координатная функция разностно-логометрического типа; КФ DSL-типа - координатная функция дифференциально-суммарно-логометрического типа; КФ L- типа - координатная функция логометрического типа; КФ LL -типа - координатная функция логарифмо-логометрического типа; МКФ - метод координатной функции; ПО - пусковой орган; ПП - плазменный поршень; РИК - распределенный измерительный контур; РК - рельсовый канал; РРК - распределенный регистрирующий контур; САУ - подсистема автоматического управления; СНП - системы нечетких правил; СПП - системы продукционных правил; УП - ускоритель предварительный; УУ - устройство управления; ШК - шунтирующий ключ ; ЭДУ- электродинамический ускоритель.

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи исследования, изложены основные положения, выносимые на защиту, даны сведения о структуре работы, апробации и реализации полученных результатов, кратко рассмотрено содержание основных разделов.

В первой главе «Анализ требований к ИПС для ИИУС и постановка задач исследования» описан принцип магнитоплазменного ЭДУ с управляемым разгоном как объекта управления (рис. 1), состоящего из ИИЭ, УП, РК с движущимся ПП и толкаемым им телом.

ЭДУ снабжено ИИУС с САУ, содержащей ШК, ИПС, ВУ, УУ с каналом управления РК и каналом управления коммутаторами ИИЭ. Управление разгоном ПП в ЭДУ заключается в ограничении его скорости на заданном уровне за счет прерывания в определенный момент процесса передачи энергии от ИИЭ к РК путем шунтирования входа рельсотрона с помощью ШК, срабатывающего по сигналу УУ. Момент tкш выдачи команды на шунтирование РК является параметром управления, который в общем случае рассчитывается в ВУ в режиме on-line. До момента достижения разгоняемым с ускорением a телом заданного значения скорости можно выделить достаточно малый интервал времени, когда движение мало отличается от равноускоренного. Именно внутри этого интервала времени следует выполнить все необходимые измерения и вычисления для определения момента tкш. Будем называть этот интервал критическим, а момент времени его начала - критическим моментом tкр. Таким образом, закон движения от момента tкр начала критического интервала времени пренебрежимо мало отличается от линей-

Рисунок 1 - Структура ИИУС магнитоплазменного ЭДУ с управляемым разгоном

ной функции с постоянным ускорением , где vкр - скорость ПП и тела в момент tкр; a -ускорение. Проанализированы два алгоритма управления разгоном с формированием команды на прекращение подвода энергии к рельсотрону ЭДУ в определенный момент времени: 1-й алгоритм - с расчетом скорости и ускорения, начиная с момента tкр , и 2-й алгоритм - с измерением скорости в процессе разгона ПП и фиксацией момента достижения определенного значения скорости vкш с допущением, что на последнем (критическом) интервале времени ПП (тело) движутся с номинальным ускорением. Момент tкш подачи команды от УУ на включение ШК не рассчитывается заранее, как в 1-м алгоритме, а совпадает с моментом достижения ПП (телом) значения скорости vкш, когда выдается команда на шунтирование РК. При реализации 2-го алгоритма ВУ исключается из схемы.

Получены выражения, связывающие допустимую погрешность ИПС v и заданную погрешность управления разгоном Vз для обоих алгоритмов управления:

для 1-го алгоритма управления

, (1)

для 2-го алгоритма управления

, (2)

где , и - моменты времени, определяющие начало и конец интервала измерительного дифференцирования для оценки ускорения a; шк - время задержки срабатывания ШК; шк - относительное отклонение шк от номинального значения; - относительная погрешность отклонения ускорения от номинального значения на критическом интервале; v - время одного измерения.

На рис. 2 приведены построенные по (1) и (2) поверхности, из которых видно очевидное преимущество 2-го алгоритма управления, так как он предъявляет значительно меньшие требования к точности ИПС. Выбирая предельное значение погрешности управления разгоном Vз =3,0 %, получаем из графиков для 1-го алгоритма допустимую погрешность ИПС v = 0,6 %, что практически нереализуемо, а для 2-го алгоритма требования к точности ИПС более чем в 4 раза ниже: v = 2,8 %. Поэтому в качестве основного алгоритма управления разгоном ЭДУ выбран 2-й алгоритм управления. В то же время показано, что достижение такой точности ИПС невозможно при измерении средней скорости и требует измерения или квазимгновенной (средней на существенно малом интервале), или мгновенной скорости.

Для оценки динамической погрешности ИПС, определяемой задержкой, вносимой в управление ВУ подсистемы управления ИИУС в процессе расчета каждого значения мгновенной скорости, исследован методом вычислительного эксперимента закон движения плазмы в ЭДУ с емкостным накопителем энергии. При построении математической модели движения системы «ПП-разгоняемое тело» использована базовая система дифференциальных уравнений Арцимовича, описывающая закон движения плазмы в канале питающегося от конденсаторной батареи рельсотрона ЭДУ. Для перехода от базовой модели движения плазмы к модели движущейся системы «ПП- разгоняемое тело» учтена

а) б) Рисунок 2 - Поверхности функций погрешности v измерения скорости при Vз = ± 0,03:а) от a и v кр для 1-го алгоритма управления; б) от a и v для 2-го алгоритма управления

суммарная масса ПП и тела. Случайный характер колебаний ширины ПП учитывался представлением ее в виде суммы , где - детерминированный процесс, полученный в результате решения базовой системы уравнений Арцимовича; - случайный процесс с нормальным законом распределения. Для моделирования эффектов, связанных с неустойчивостью состояния свободной плазмы, использовался генератор псевдослучайных чисел, распределенных по нормальному закону с математическим ожиданием и с.к.о. м. Начальная ширина ПП h0 = 0,05 м, его начальная скорость м/с. Суммарная масса ПП и тела принималась равной 2 г.

Рисунок 3 - График скорости разгона при различных значениях энергетического параметра q

На рис. 3 приведены полученные на мо-дели зависимости скорости движения системы «ПП-разгоняемое тело» от времени при выбранных типовых параметрах рельсотрона, ПП и тела для различных значений энер-гетического параметра q в диапазоне от 0,01 до 0,06, определяемого отношением характерной величины сил магнитного давления к харак-терной величине силы инерции ускоряяемой в ЭДУ плазмы.

Так как с ростом скорости увеличи-вается погрешность и уменьшается допу-стимое время обработки информации от датчиков, в качестве расчетного значения, обес-печивающего гарантированные результаты оценки предельных значений динамической погрешности измерения скорости и времени с запасом выбрано q = 0,04, для которого около 12,5 км/с.

Как следует из рис. 3, при питании ЭДУ от емкостного источника энергии между участками нулевого ускорения располагаются участки разгона, закон которых близок к равноускоренному. Таким образом, в целом закон разгона в этом случае можно назвать близким к прерывисто-равноускоренному. Анализ результатов моделирования позволил предложить путь уменьшения погрешности(и, соответственно, увеличения ), используя описанные выше особенности графика разгона ПП в ЭДУ. Было показано, что длительность этих участков увеличивается от начала к концу разгона и если перейти от непрерывного к «прерывистому» измерению мгновенной скорости, можно свести динамическую погрешность до уровня, близкого к нулю.

Предложены два пути решения проблемы увеличения при сохранении приемлемых зна-чений . Первый путь предполагает смещение во времени начала измерений, исключив первые несколько участков нулевого ускорения, на которых <1 мкс. Второй путь связан с выполнением измерения скорости не на участках нулевого ускорения, а в зонах малых ускорений, что, хотя и несколько увеличивает , но приводит к увеличению длительности этих зон, а значит, и значения . Расчеты на модели показали, что при переходе к вычислению скорости по заданному уровню ускорения в зоне малых ускорений удается получить приемлемые сочетания значений и .

Для вычисления скорости в нескольких зонах малых ускорений в течение разгона (на рис. 3 видно, что таких зон - восемь) исследованы различные алгоритмы функционирования ПО, форми рующего пороговый уровень заданного малого значения ускорения и дающего команду в ИПС на передачу в канал управления ЭДУ очередного значения скорости, начало расчета которого совпадает с началом очередной зоны малых ускорений, ограниченной этим пороговым уровнем и кривой ускорения. Обоснован выбор следующего алгоритма функционирования ПО: непрерывное измерение электрического тока в ПП, а в момент перехода тока через нуль - формирование выходного сигнала, являющегося командой для ИПС на начало вычисления с последующей передачей в канал управления ЭДУ очередного значения скорости. Для реализации алгоритма требуется введение в подсистему управления ИИУС измерительного преобразователя электрического тока (ИПТ). Установлено, что значения растут при переходе от 1-го к 8-му участку (1,6; 2,6; 3,3; 5,9; 9,0; 13,3; 18,8 и 33,5 мкс).

Рисунок 4 - Зависимость от при пропуске 1-го участка нулевого ускорения

Приведенная на рис. 4 зависимость = f () для 2-го участка нулевого ускорения показывает, что, пропуская 1-й участок и начиная измерение скорости со 2-го участка (задерживая на- чало измерений на tз = 33 мкс на интервале времени разгона 400 мкс), можно при заданной динами-ческой погрешности 1,0 % увеличить почти в 1,5 раза (с 3,4 мкс до 4,8 мкс) или, наоборот, задаваясь = 3 мкс, снизить динамическую погрешность с 0,7 % до0,25 %.

Следует учесть, что в интервал = 3 мкс входит задержка на срабатывание ШК шк = 2 мкс.

В результате на вычисление значения скорости остается 1 мкс. Для увеличения этого времени до приемлемого значения 3 мкс следует до начала измерения (для канала управления) пропустить первые три участка нулевого ускорения. При этом длительность 4-го участка нулевого ускорения 5,9 мкс оказывается достаточной для снижения динамической погрешности до 0,25% с учетом суммарной задержки = 3 мкс и шк = 2 мкс. Для оценки требований ИИУС ЭДУ к допустимой статической погрешности ИПС , которая вместе с динамической погрешностью определяет суммарную погрешность ИПС, используем геометрическое сложение некоррелированных составляющих погрешности:

= = 2,8%.

Проведены обзор и классификация методов измерения скорости ПП в ЭДУ и показано, что наиболее приемлемыми для данной задачи являются времяпролетный и доплеровские методы измерения скорости. С использованием теории оптимальных методов приема при флуктуационных помехах выполнен сравнительный анализ времяпролетного и доплеровского методов измерения по помехозащищенности. Доказано, что , где и - вероятность ошибки измерения интервала времени при использовании времяпролетного метода и вероятность ошибки измерения частоты при использовании доплеровского метода, соответственно, т.е. по сравнению с доплеровским времяпролетный метод измерения скорости является более помехозащищенным и принимается в качестве основного метода для дальнейших исследований и синтеза ИПС.

Во второй главе «Математическое моделирование системы «рельсотрон-датчики положения» проведен сравнительный анализ численных и аналитических методов расчета ЭДС на выходе ИД от поля, создаваемого движущимся ПП с током, показавший, что предложенные Cook R.W. упрощенные аналитические модели «ось с током» и «полоса с током» по сравнению с объемной моделью ПП с током дают большую погрешность идентификации положения х ПП длиной х0 в канале ЭДУ (х = 1,5 х0 и 0,5 х0, соответственно), заниженные в 6 раз и завышенные в 2 раза значения ЭДС на выходе датчика (рис. 5). Установлено, что для расчета электромагнитного поля от движущегося проводника простого сечения (квадрат, прямоугольник) может быть использована объемная модель с интегрированием по трем координатам, а для проводника сложного сечения (трапеция и т.д.) - более простая, но точная (расхождение менее 1,0 %) модель с интегрированием по боковой поверхности проводника.

Вычислительным экспериментом установлено, что с целью уменьшения погрешности расчета и измерения ЭДС в условиях электромагнитных помех целесообразно уменьшение диаметра катушки ИД до нескольких мм, что требует увеличения числа витков до нескольких сотен. Возникающую при малом сечении катушки проблему точности идентификации положения ПП в нерасчетных режимах ЭДУ (появление плазменных перемычек- «лидеров» впереди основного ядра ПП) рекомен-

довано решать не параметрическим, а запатенто-ванным структурно-схемным способом (объединением ИД в РРК по схеме максиселектора). Показано, что погрешность измерения ЭДС ИД из-за конечной длины катушки возрастает в 5 раз при приближении ПП к месту установки ИД, а при уменьшении длины ка-тушки ИД на порядок погрешность измерения ЭДС снижается в 2 раза и при длине катушки 5,0 мм уменьшается до 5,0 %. Дальнейшее снижение погрешности (до 1,0 % и менее) требует разработки специальных алгоритмов обработки сигналов соседних ИД с использованием метода компенсации. На основа-нии этого сделан вывод о том, что перспективны ме-тоды измерительного преобразования мгновенной ско-рости, при которых информация о положении ПП снимается при его нахождении не над каждым ИД, как при измерении средней скорости времяпролетным методом, а на интервале между соседними ИД.

Рисунок 5 - Результаты сравнительного расчета магнитной индукции В и ЭДС E для объемного , линейного проводников и токовой полосы

Исследовано влияние расстояния между рельсами ЭДУ на ЭДС ИД и показано, что влиянием вариации этого расстояния на ЭДС ИД можно пренебречь (при вариации расстояния между рельсами 5,0 % ЭДС ИД изменяется менее чем на 1,0 %).

Установлено сильное влияние на ЭДС ИД расстояния между осями рельсотрона и ИД в РРК. Показано, что при расположении оси катушки ИД на расстоянии менее 3 см от оси рельсотрона смещение осей на 1-2 мм влечет изменение ЭДС более чем на 30 %, а при увеличении этого расстояния до 4 см и более погрешность из-за смещения осей в этих же пределах резко уменьшается и при достижении 8 см становится менее 1,0 %.

В соответствии с этим рекомендовано устанавливать ИД относительно оси рельсотрона на расстоянии 8 см. Дальнейшее удаление ИД от оси рельсотрона нецелесообразно из-за уменьшения ЭДС и ухудшения помехоустойчивости ИПС. Для снижения до пренебрежимо малого влияния на ЭДС ИД изменяющейся длины ПП рекомендовано выбирать его размеры, приближающимися к размерам идеального (точечного) ИД: показано, что длина катушки ИД должна быть значительно меньше расстояния между датчиками и, как минимум, на порядок меньше длины ПП.

Рисунок 6 - Зависимость индукции В и ЭДС Е в точках расположения ИД от координаты х ПП при z = 0,08 м; ?x = 0,2 м. 1 - В1(х); 2 - В2(х); 3 - Е1(х); 4 - Е2(х)

При реальных значениях длины ПП длину катушки ИД следует выбирать не более 0,5 см. Тогда при выборе расстояния между датчи-ками РРК более 10 см погрешностью влияния длины ПП можно пренебречь. В связи с этим перспективна разработка новых ме-тодов измерительного преобразования ско-рости, допускающих расстояние между датчиками в РРК много больше 10 см.

Моделирование выходных сигналов пар ИД в РРК при прохождении между ними ПП показало характер зависимости этих сигналов от положения ПП и между собой (рис. 6) и выявило необходимость исследования возможности одновременного использования информации об ЭДС пар соседних ИД для перехода от регистрации момента прохождения ПП над ИД к определению положения и скорости ПП в каждой точке траектории между ИД.

В третьей главе «Метрологический анализ времяпролетного метода измерения средней скорости» проведена классификация погрешностей времяпролетного метода измерения скорости и исследованы составляющие инструментальной погрешности измерения средней и мгновенной скорости. С использованием результатов компьютерного моделирования ЭДС ИД в процессе разгона ПП в ЭДУ изучены составляющие инструментальной погрешности измерения скорости и получены предельные ее оценки при измерении средней (5,2 %) и мгновенной (1,7 %) скорости. Трехкратное снижение инструментальной погрешности при измерении мгновенной скорости по сравнению с измерением средней скорости возможно при выполнении рекомендаций по структурному и параметрическому синтезу ИПС и его элементов: решение задачи параметрического синтеза установки базы и иной погрешности, имеющих противоположные знаки; разработка методов и структурный синтез ИПС с генерацией множества бездатчиковых точек опроса и формированием существенно малых отрезков пути (баз); разработка нового метода измерительного преобразования и структурный синтез ИПС, допускающих увеличение расстояния между соседними ИД до 1,0 м.

Выполнен анализ методической погрешности измерения скорости ПП времяпролетным методом при различных законах движения (с изменением и без изменения знака ускорения).

Введено понятие эквивалентного ускорения и доказана следующая теорема:

Теорема: Методическая погрешность измерения скорости объекта, движущегося по произвольному закону с ускорением , достигает минимального значения при замене его равноускоренным движением с эквивалентным ускорением , т.е. при , где определяется выражениями:

и ,

соответственно, для случаев и ; - моменты времени, соответствующие началу и концу интервала измерения; - интервал времени прохождения объектом заданной базы ;

- значения скорости, соответственно, в начале и конце интервала измерения.

Отсюда следует первый вывод: задача повышения точности измерения скорости объекта за счет снижения методической ошибки может быть решена автоматическим разбиением траектории движения на достаточно малые отрезки (базы), в пределах каждого из которых закон движения может считаться равноускоренным. Второй вывод: в качестве оценки методической погрешности измерения скорости объекта при любом законе его движения следует использовать её значение при равноускоренном движении с эквивалентным ускорением.

Предложена методология выбора одного из двух способов реализации времяпролетного метода (измерение перемещения при заданном временном интервале между отсчетами или измерение временного интервала при заданной базе между ИД), основанная на параметрическом синтезе элементов ИПС по критерию минимума методической погрешности при выборе значений варьируемых параметров (постоянной базы или постоянного временного интервала), заданных ограничениях на них и равноускоренном движении с эквивалентным ускорением.

Получен сведенный в табл. 1 комплекс расчетных формул для определения скоростных и временных параметров равноускоренного движения и методической погрешности измерения скорости при двух вариантах реализации времяпролетного метода.

Проведен расчет дисперсии методической погрешности измерения скорости времяпролетным методом. Доказано, что при заданным интервале пути дисперсия на каждом интервале является функцией от номера траектории и среднего значения скорости на интервале измерения и так же, как и абсолютная методическая погрешность на интервале измерения, резко падает с ростом номера i-го участка траектории: , а при заданном интервале времени аб-солютная методическая погрешность на интервале измерения и дисперсия методической погрешности не зависят от номера временного интервала и от значения средней скорости и постоянны на всем контролируемом участке. Результаты анализа показали, что при контроле скорости в ЭДУ с управляемым разгоном, когда по мере приближения к предельной (заданной) скорости раз-

Таблица 1 - Комплекс расчетных формул

Параметр

Вариант реализации времяпролетного метода

измерения

Вариант первый:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.